Глюон

редактировать

Элементарная частица, передающая сильную силу

Глюон
Диаграмма 1: На диаграммах Фейнмана, испускается глюоны представлены в виде спиралей. На этой диаграмме изображено аннигиляция электрона и позитрона.
Состав	Элементарная частица
Статистика	Бозонная
Взаимодействия	Сильное взаимодействие
Символ	g
Теоретически	Мюррей Гелл-Манн (1962)
Обнаружен	ee → Υ (9.46) → 3g: 1978 at DORIS (DESY ) от Эксперименты PLUTO (см. Диаграмму 2 и воспоминания). и. ee → qqg: 1979 at PETRA (DESY ) от TASSO, JADE и PLUTO эксперименты (см. Диаграмму 1 и обзор)
Типы	8
Масса	0 (теоретическое значение). < 1.3 meV/ $c 2 {\ displaystyle c ^ {2}}$ $c ^ {2 }$ (экспериментальный предел)
Электрический заряд	0 e
Цветной заряд	октет (8 линейно независимых типов)
Spin	1

A глюон () - это элементарная частица, которая действует как обменная частица (или калибровочный бозон ) для сильная сила между кварками. Это аналогично обмену фотонами в электромагнитной силе между двумя заряженными частицами. С точки зрения непрофессионала, они «склеивают» кварки вместе, образуя адроны, такие как протоны и нейтроны.

С технической точки зрения глюоны - это вектор калибровочные бозоны, которые опосредуют сильные взаимодействия кварков в квантовой хромодинамике (КХД). Сами глюоны несут цветной заряд сильного взаимодействия. В этом отличие от фотона, который опосредует электромагнитное взаимодействие, но не имеет электрического заряда. Следовательно, глюоны участвуют в сильном взаимодействии в дополнение к его опосредованию, что значительно усложняет анализ КХД, чем квантовая электродинамика (КЭД).

Содержание

1 Свойства
2 Подсчет глюонов
- 2.1 Цветные синглетные состояния
- 2.2 Восемь цветов
- 2.3 Детали теории групп
3 Конфайнмент
4 Экспериментальные наблюдения
5 См. Также
6 Ссылки
7 Дополнительная литература

Свойства

Глюон - это векторный бозон, что означает, что, как и фотон, он имеет спин, равный 1. В то время как массивные частицы со спином 1 имеют три состояния поляризации, безмассовые калибровочные бозоны, такие как глюон, имеют только два состояния поляризации, потому что калибровочная инвариантность требует, чтобы поляризация была поперечной относительно направление движения глюона. В квантовой теории поля для непрерывной калибровочной инвариантности требуется, чтобы калибровочные бозоны имели нулевую массу. Эксперименты ограничивают массу покоя глюона величиной менее нескольких мэВ / c. Глюон имеет отрицательную внутреннюю четность.

Подсчет глюонов

В отличие от одиночного фотона КЭД или трех W- и Z-бозонов слабое взаимодействие, в КХД существует восемь независимых типов глюонов.

Это может быть трудно понять интуитивно. Кварки несут три типа цветного заряда ; антикварки несут три типа антицвета. Глюоны можно рассматривать как несущие как цвет, так и антицвет. Это дает девять возможных комбинаций цвета и антицвета в глюонах. Ниже приведен список этих комбинаций (и их схематические названия):

красный-анти-красный ( $rr ¯ {\ displaystyle r {\ bar {r}}}$ $r \ bar {r}$ ), красный-анти-зеленый ( $rg ¯ {\ displaystyle r {\ bar {g}}}$ $r \ bar {g}$ ), красно-антисиний ( $rb ¯ {\ displaystyle r {\ bar {b}}}$ $r \ bar {b}$ )
зеленый-анти-красный ( $гр ¯ {\ displaystyle g {\ bar {r}}}$ $g \ bar {r}$ ), зеленый-анти-зеленый ( $gg ¯ {\ displaystyle g {\ bar {g}}}$ $g \ bar {g}$ ), зелено-антисиний ( $gb ¯ {\ displaystyle g {\ bar {b}}}$ $g \ bar {b}$ )
синевато-красный ( $br ¯ {\ displaystyle b {\ bar {r }}}$ $b \ bar {r}$ ), сине-антизеленый ( $bg ¯ {\ displaystyle b {\ bar {g}}}$ $b \ bar {g}$ ), сине-антисиний ( $bb ¯ { \ displaystyle b {\ bar {b}}}$ $b \ bar {b}$ )

Диаграмма 2: ee → Υ (9.46) → 3g

Это не настоящие цветовые состояния наблюдаемых глюонов, а скорее эффективные состояния. Чтобы правильно понять, как они выглядят вместе, необходимо более подробно рассмотреть математику цветового заряда.

Цветные синглетные состояния

Часто говорят, что стабильные сильно взаимодействующие частицы Клетки (такие как протон и нейтрон, т.е. адроны ), наблюдаемые в природе, являются «бесцветными», но, точнее, они находятся в «цветном синглетном» состоянии, которое математически аналогично спину синглетное состояние. Такие состояния допускают взаимодействие с другими цветовыми синглетами, но не с другими цветовыми состояниями; поскольку не существует дальнодействующих глюонных взаимодействий, это показывает, что глюоны в синглетном состоянии также не существуют.

Цветное синглетное состояние:

(rr ¯ + bb ¯ + gg ¯) / 3. {\ displaystyle (r {\ bar {r}} + b {\ bar {b}} + g {\ bar {g}}) / {\ sqrt {3}}.}

(r {\ bar {r}} + b {\ bar {b}} + g {\ bar {g}}) / {\ sqrt {3}}.

Другими словами, если один Если бы можно было измерить цвет состояния, были бы равные вероятности, что он будет красным-анти-красным, синим-анти-синим или зелено-анти-зеленым.

Восемь цветов

Осталось восемь независимых состояний цвета, которые соответствуют «восьми типам» или «восьми цветам» глюонов. Поскольку состояния могут быть смешаны вместе, как обсуждалось выше, существует много способов представления этих состояний, которые известны как «цветовой октет». Один из обычно используемых списков:

$(rb ¯ + br ¯) / 2 {\ displaystyle (r {\ bar {b}} + b {\ bar {r}}) / {\ sqrt {2}}}$ $(r { \ bar {b}} + b {\ bar {r}}) / {\ sqrt {2}}$		$- я (rb ¯ - br ¯) / 2 {\ displaystyle -i (r {\ bar {b}} - b {\ bar {r}}) / {\ sqrt {2}}}$ $-i (r {\ bar {b}} - b {\ bar {r}}) / {\ sqrt {2}}$
$( rg ¯ + gr ¯) / 2 {\ displaystyle (r {\ bar {g}} + g {\ bar {r}}) / {\ sqrt {2}}}$ $(r {\ bar {g}} + g {\ bar {r}}) / {\ sqrt {2}}$		$- я (rg ¯ - gr ¯) / 2 {\ displaystyle -i (r {\ bar {g}} - g {\ bar {r}}) / {\ sqrt {2}}}$ $-i (r {\ bar { g}} - g {\ bar {r}}) / {\ sqrt {2}}$
$(bg ¯ + gb ¯) / 2 {\ displaystyle (b {\ bar {g}} + g {\ bar {b}}) / {\ sqrt {2}}}$ $(b {\ bar {g}} + g {\ bar {b}}) / {\ sqrt {2}}$		$- я (bg ¯ - gb ¯) / 2 {\ displaystyle -i (b {\ bar {g}} - g {\ bar {b}}) / {\ sqrt {2}}}$ $-i (b {\ bar {g}} - g {\ bar {b}}) / {\ sqrt {2}}$
$(rr ¯ - bb ¯) / 2 {\ displaystyle (r {\ bar {r}} -b {\ bar {b}}) / {\ sqrt {2}}}$ $(r {\ bar {r}} - b {\ bar {b}}) / {\ sqrt {2}}$		$(rr ¯ + bb ¯ - 2 гг ¯) / 6. {\ displaystyle (r {\ bar {r}} + b {\ bar {b}} - 2g {\ bar {g}}) / {\ sqrt {6}}.}$ $(r {\ bar {r}} + b {\ bar {b}} - 2g {\ bar {g}}) / {\ sqrt {6}}.$

Они эквивалентны Матрицы Гелл-Манна. Важнейшей особенностью этих конкретных восьми состояний является то, что они линейно независимы, а также не зависят от синглетного состояния, следовательно, 3 - 1 или 2. Невозможно добавить любую комбинацию этих состояний для получения каких-либо другие, а также невозможно добавить их, чтобы сделать rr, gg или bb запрещенным синглетным состоянием. Есть много других возможных вариантов, но все они математически эквивалентны, по крайней мере, одинаково сложны и дают одинаковые физические результаты.

Подробности теории групп

Технически КХД - это калибровочная теория с калибровочной симметрией SU (3). Кварки представлены как спиноры в N fразновидностях, каждый в фундаментальном представлении (триплет, обозначенный 3 ) группы цветовой шкалы, СУ (3). Глюоны - это векторы в присоединенном представлении (октеты, обозначенные 8 ) цвета SU (3). Для общей калибровочной группы количество носителей силы (например, фотонов или глюонов) всегда равно размерности присоединенного представления. Для простого случая SU (N) размерность этого представления равна N - 1.

В терминах теории групп утверждение об отсутствии цветных синглетных глюонов является просто утверждением, что квантовый хромодинамика имеет симметрию SU (3), а не U (3). Нет никаких известных априори причин, по которым одна группа предпочтительнее другой, но, как обсуждалось выше, экспериментальные данные подтверждают SU (3). Группа U (1) для электромагнитного поля объединяется с немного более сложной группой, известной как SU (2) - S означает «специальный», что означает, что соответствующие матрицы имеют определитель +1 в дополнение к унитарности.

Конфайнмент

Поскольку глюоны сами несут цветной заряд, они участвуют в сильных взаимодействиях. Эти глюон-глюонные взаимодействия ограничивают цветовые поля струнно-подобными объектами, называемыми «магнитные трубки », которые проявляют постоянную силу при растяжении. Из-за этой силы кварки заключены внутри составных частиц, называемых адронами. Это эффективно ограничивает диапазон сильного взаимодействия до 1 × 10 метров, что примерно соответствует размеру атомного ядра . На определенном расстоянии энергия магнитной трубки, связывающей два кварка, линейно возрастает. На достаточно большом расстоянии становится энергетически более выгодным вытягивать кварк-антикварковую пару из вакуума, чем увеличивать длину магнитной трубки.

Глюоны также обладают этим свойством заключаться в адронах. Одним из следствий этого является то, что глюоны не участвуют напрямую в ядерных взаимодействиях между адронами. Силовыми посредниками для них являются другие адроны, называемые мезонами.

. Хотя в нормальной фазе КХД одиночные глюоны не могут свободно перемещаться, предсказывается, что существуют адроны, полностью состоящие из глюонов - называется глюболами. Существуют также предположения о других экзотических адронах, в которых реальные глюоны (в отличие от виртуальных, обнаруженных в обычных адронах) будут первичными составляющими. За пределами нормальной фазы КХД (при экстремальных температурах и давлениях) образуется кварк-глюонная плазма. В такой плазме нет адронов; кварки и глюоны становятся свободными частицами.

Экспериментальные наблюдения

Кварки и глюоны (цветные) проявляются в виде фрагментации на большее количество кварков и глюонов, которые, в свою очередь, адронизируются в нормальные (бесцветные) частицы, коррелированные в струях. Как было показано на летних конференциях 1978 года, детектор PLUTO на электрон-позитронном коллайдере DORIS (DESY ) дал первое свидетельство того, что адронные распады очень узкого резонанса Υ (9.46) могут можно интерпретировать как трехструйную топологию событий, порожденную тремя глюонами. Позже опубликованные результаты того же эксперимента подтвердили эту интерпретацию, а также природу глюона со спином 1 (см. Также воспоминания и эксперименты с PLUTO ).

Летом 1979 года при более высоких энергиях на электрон-позитронном коллайдере PETRA (DESY) снова наблюдались трехструйные топологии, теперь интерпретируемые как qq-глюон тормозное излучение, теперь отчетливо видимый ТАССО и экспериментами ПЛУТО (позже, в 1980 году, также ДЖЕЙД ). Спин 1 глюона был подтвержден в 1980 г. экспериментами TASSO и PLUTO (см. Также обзор). В 1991 г. последующий эксперимент на накопителе LEP в ЦЕРН снова подтвердил этот результат.

Глюоны играют важную роль в элементарных сильных взаимодействиях между кварки и глюоны, описанные в КХД и изученные, в частности, на электрон-протонном коллайдере HERA в DESY. Количество и импульсное распределение глюонов в протоне (плотность глюонов) были измерены в двух экспериментах, H1 и ZEUS, в 1996–2007 гг.. Вклад глюонов в спин протона был изучен в эксперименте HERMES на HERA. Плотность глюонов в протоне (когда он ведет себя адронно) также была измерена.

Ограничение цвета подтверждается неудачей поисков свободных кварков (поиски дробных зарядов). Кварки обычно производятся парами (кварк + антикварк), чтобы компенсировать квантовый цвет и ароматические числа; однако в Фермилабе было показано однократное образование топ-кварков (технически это все еще включает парное образование, но кварк и антикварк имеют разный вкус). Никакого глюбола продемонстрировано не было.

Деконфайнмент был заявлен в 2000 г. в ЦЕРН SPS в столкновениях тяжелых ионов, и он подразумевает новое состояние вещества: кварк-глюонная плазма, менее взаимодействующая, чем в ядро , почти как в жидкости. Он был обнаружен на коллайдере релятивистских тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвене в 2004–2010 годах в ходе четырех одновременных экспериментов. Состояние кварк-глюонной плазмы было подтверждено на ЦЕРН Большом адронном коллайдере (LHC) тремя экспериментами ALICE, ATLAS и CMS в 2010 году.

Ускоритель непрерывного электронного пучка в лаборатории Джефферсона, также называемый Национальным ускорительным комплексом Томаса Джефферсона, в Ньюпорт-Ньюс, Вирджиния, является одним из 10 объектов Министерства энергетики, занимающихся исследованиями глюонов. Лаборатория в Вирджинии конкурировала с другим объектом на Лонг-Айленде, штат Нью-Йорк, Брукхейвенской национальной лабораторией, за средства на строительство нового электронно-ионного коллайдера. В декабре 2019 года Министерство энергетики США выбрало Брукхейвенскую национальную лабораторию для размещения электронно-ионного коллайдера.

См. Также

Ссылки

Дополнительная литература

На Викискладе есть материалы, связанные с глюонами.

А. Али и Г. Крамер (2011). "JETS и QCD: исторический обзор открытия кварковых и глюонных струй и их влияния на QCD". Европейский физический журнал H. 36(2): 245–326. arXiv : 1012.2288. Bibcode : 2011EPJH... 36..245A. doi :10.1140/epjh/e2011-10047-1.